В космос на «ведре»
Запасы топлива для двигателей, с помощью которых космические аппараты удерживаются на заданной орбите, составляют почти половину их стартового веса и всё же остаются слишком малыми. Дозаправка на орбите технически возможна, но... просто разорительна. Оставшись без химического топлива, спутник постепенно сходит с заданной траектории (дрейфует), и его приходится заменять новым. Особенно болезненна эта проблема для аппаратов, предназначенных для геостационарных орбит (например, спутников связи, навигации и т. д.). Что же делать?
Вечное топливо
В поисках выхода научная мысль не могла слишком долго топтаться на месте. В данном случае возмутителем спокойствия оказался британец Роджер Шойер, см. фото. Проработав более 20 лет в авиакосмической индустрии, к началу 2000-х он был уже старшим специалистом концерна Matra Marconi, автором многочисленных разработок оборудования для военных и коммерческих спутников, а также консультантом европейского проекта системы спутниковой навигации Galileo. Именно он предложил отказаться от традиционных реактивных двигателей, заменив их электромагнитными. Впрочем, представляя свой проект EmDrive, сам учёный скромно сослался на то, что идея EmDrive заложена ещё в трудах знаменитого физика Джеймса Максвелла (опубликованных в 1870-1871 гг.) и теоретически разработана английским инженером-электриком Алексом Калленом в 1950-х.
прототипом в лаборатории
На первый взгляд, всё довольно просто. Вместо запасов горючего и окислителя - батареи фотоэлементов. Вечный источник питания - Солнце, энергия которого собирается и преобразуется в сверхвысокочастотные электромагнитные волны. Вместо камеры сгорания и сопла - замкнутый волновод с резонатором. Полетели?
Как это работает
Берём волновод и закрываем его с обоих концов. Затем внутри полученного объёмного резонатора возбуждаем сверхвысокочастотные электромагнитные колебания, используя для этого обычный магнетрон (подобно тому, как это делается в привычной всем нам микроволновке). Согласно принципам, открытым ещё Максвеллом, отражаясь от внутренних стенок волновода, СВЧ-волны будут оказывать хоть и малое, но всё же вполне реальное давление на его торцевые стенки. Если же подобрать форму и размеры камеры в соответствии с длиной генерируемых СВЧ-волн, можно получить резонатор, позволяющий накапливать значительное количество электромагнитной энергии. При достаточно высокой добротности резонатора потери волновой энергии окажутся небольшими. В свою очередь, это будет способствовать увеличению энергии электромагнитных колебаний и, соответственно, сил, действующих на обоих концах волновода изнутри.
Казалось бы, противоположно направленные силы должны полностью уравновешивать друг друга - трудно представить, чтобы микроволновка попыталась куда-то уехать и тем более летать. Но EmDrive выдаёт нам сюрприз. Согласно выкладкам Роджера Шойера, при правильно выбранных форме и размерах резонатора на его концах возникают разные давления электромагнитного излучения. В экспериментальном образце двигателя, разработанном Роджером Шойером, волновод-резонатор имеет форму усечённого конуса, за что его и прозвали «ведром» (рис. 1).
Источник: New Scientist.
Как работает «ведро»? Приведём лишь одно из объяснений, не претендуя на его истинность и полноту. СВЧ-волны, генерируемые посредством 1,1-киловаттного магнетрона, входят в резонатор посередине и расходятся в стороны. Проходя путь к широкому концу резонатора, они реже отражаются от боковых стенок, а потому теряют меньше энергии, чем при аналогичном путешествии к узкому донышку «ведра». Эффективная мощность СВЧ-волн (а следовательно - и давление) на широком конце получается больше, чем на узком. Таким образом, внутренние силы на противоположных торцах не уравновешиваются, возникает тяга.
По результатам испытаний первого опытного образца EmDrive Роджера Шойера в 2003 г. при подаче 1 кВт электроэнергии возникала сила тяги порядка 16 мН. При этом добротность резонатора была равна 5900. Когда же к 2006 г. этот показатель удалось увеличить до 50000, сила тяги (при том же расходе электроэнергии) возросла уже до 300 мН. Конечно, этого недостаточно для использования в земных условиях даже для того, чтобы сдвинуть с места 15-килограммовый блок экспериментального двигателя. Зато для космического применения результат представляется достаточно обнадёживающим. Для сравнения: прототип ионного двигателя SMART1, разработанный Европейским аэрокосмическим агентством, при весе в 94 кг смог продемонстрировать тягу всего около 70 мН.
Однако при всём видимом успехе экспериментов с EmDrive разработка Роджера Шойера была встречена научным миром далеко не однозначно. Причём, судя по многочисленным критическим публикациям, сомнения у специалистов вызывает не столько сам факт возникновения тяги, сколько его неудовлетворительные объяснения.
Основной аргумент оппонентов: подобное движение противоречит принципам классической физики и механики. В частности - нарушается закон сохранения импульса, действие не сопровождается противодействием. Неужели замкнутый резонатор-волновод (фактически аккумулятор электромагнитной энергии) будет перемещаться в пространстве под воздействием своей внутренней энергии, без какого-либо видимого её преобразования и «выхлопа»? Проще представить себе батарейку, летающую только от того, что она заряжена! Сторонники же EmDrive отмечают, что элементарные частицы, в виде которых можно представить поток электромагнитного излучения (корпускулярно-волновой дуализм), перемещаются в волноводе со скоростями, близкими к скорости света. Следовательно, для описания их поведения вряд ли применимы законы классической физики, а скорее подходит теория относительности Эйнштейна. Научная дискуссия продолжается, но её результаты всё больше напоминают известный парадокс майского жука, который, согласно известным законам аэродинамики, теоретически летать не может, но всё же летает.
Но пока теоретики спорят, специалисты-практики из аэрокосмической отрасли не сидят сложа руки.
Хроники «летающего ведра»
Так, несмотря на волну критики в адрес изобретения Роджера Шойера, правительство Великобритании всё же нашло средства для финансирования дальнейших изысканий в этой области. Их выделяли вплоть по 2007 г., когда учёный завершил доработку первого варианта своего электромагнитного двигателя.
В 2009 г. английскую лицензию на технологию производства EmDrive приобрёл американский гигант Boeing. Работа специалистов корпорации по его дальнейшему совершенствованию финансируется Минобороны США, а её результаты пока строго засекречены.
Неудивительно, что почти одновременно подобные исследования активизировались в Китае. Уже в 2012 г. Поднебесная объявила о создании EmDrive с тягой до 720 мН, причём с использованием «абсолютно независимой» теоретической базы.
Глядя на интерес всего мира к возможностям неоднозначной разработки, наконец, ею заинтересовалась и в NASA, создав собственный вариант «летающего ведра» (рис. 2).
В ходе его испытаний в 2013-2015 гг. удалось достигнуть достаточно скромной тяги (до 1,2-1,5 мН/кВт). При этом эксперты NASA так и не смогли объяснить природу этого явления, назвав его «несоотносимым с каким-либо известным электромагнитным феноменом».
Эксперименты NASA способствовали развитию интереса к EmDrive и со стороны частного бизнеса. От лабораторных испытаний дело постепенно начало переходить в практическую плоскость. 17 августа 2016 г. американские компании Cannae и Theseus Space объявили о своих планах запустить «демонстрационный» спутник, оборудованный электромагнитным двигателем. По предварительной информации, аппарат должен был состоять из шести кубических секций, причём по общим размерам вся конструкция планировалась не больше коробки из-под обуви (рис. 3). Около четверти всего объёма спутника отводится под EmDrive, с помощью которого аппарат должен как можно дольше сохранять свою позицию на геостационарной орбите с апогеем до 150 миль (порядка 240 км). Разработчики надеялись продлить срок службы спутника до полугода, в то время как для аналогичных по размерам космических аппаратов с традиционными двигателями он едва достигает полутора-двух месяцев. Не исключено, что малые размеры спутника диктовались не столько его демонстрационными целями, сколько недостаточной мощностью электромагнитного двигателя. Стоит напомнить, что прототип установленного на нём варианта EmDrive (конструкции Гвидо Фетта - руководителя Cannae) на испытаниях продемонстрировал тягу порядка 30-50 мкН.
Пока компании Cannae и Theseus ещё только собирались запустить на орбиту спутник с относительно маломощным электромагнитным двигателем, на свет уже успел появиться проект EmDrive следующего поколения. «Отцом» его снова стал Роджер Шойер. 12 октября 2016 г. он запатентовал новый вариант двигателя, обещая получить на нём гораздо более сильную тягу. На одном конце конического резонатора установлена сверхпроводящая пластина, а на втором - диэлектрическая пластина «особой формы». По мнению изобретателя, новая конструкция позволит существенно снизить расходы по производству двигателя EmDrive и его массогабаритные характеристики, а использование эффекта сверхпроводимости - значительно повысить эффективность. Оптимисты надеются на тягу уже в тысячу ньютон и более на киловатт подводимой мощности. Ну что же, если электромагнитное «ведро» всё-таки способно летать, то почему бы ему не летать быстрее?
* * *
В 2018 г. немецкие учёные из Дрезденского технического университета обнародовали результаты своего исследования, которое произвело на энтузиастов EmDrive эффект «холодного душа». После экспериментов в вакуумной камере немецкие специалисты по аэрокосмической технике объяснили, что зарегистрированная в экспериментах тяга объясняется каким-то посторонним взаимодействием, возможно, кабелей, питающих двигатель EmDrive, и магнитного поля Земли.
Читайте другие наши материалы
